Транскрипция на хроматине: регуляция: введение

В эукариотических клетках матрицей для РНК-полимераз служит ДНК, находящаяся в составе хроматина. Из общих соображений белки нуклеосом и более высокоорганизованного хроматина должны быть препятствием для образования инициационного комплекса и перемещения транскрипционного комплекса вдоль такой матрицы. Однако in vivo эти препятствия в соответствующих условиях легко преодолеваются. Исследование транскрипции хроматина еще далеко от своего завершения, а основные результаты получены в опытах in vitro. Результаты исследований показывают, что наличие нуклеосом предотвращает неспецифическую транскрипцию инактивированных генов и является одним из необходимых условий их правильной экспрессии.

В регуляции транскрипции все много сложнее, чем просто связывание факторов с ДНК. Ведь мы имеем дело не просто с ДНК, а с хромосомами , где ДНК сложным образом упакована и существует в комплексе с белками - гистонами. Давно известно, что транскрипционно неактивные гены обычно находятся в компактныо уложенных хроматиновых структурах.

Идентифицированы хроматин-ассоциированные белки, которые способны репрессировать транскрипцию протяженных областей хромосом, включающих множество генов на расстоянии сотен килобаз. И как это происходит - один из острых и нерешенных вопросов, вокруг которого идет множество дебатов и которому посвящается множество исследований. Чтобы дать представление о той сложности, с которой приходится сталкиваться, я цитирую выдержку из недавнего обзора, [ Higgs ea 1998 ] в ведущем научном журнале Cell "Ученые, интересующиеся регуляцией экспрессии генов у высших эукариот все больше убеждаются в том, что этот процесс сильно зависит от локального " хромосомного окружения ". Вариации в хромосомном окружении часто описывают ссылаясь на характер упаковки ДНК в хроматин. В настоящее время мы очень мало понимаем про структуру и функции хроматина in vivo и часто маскируем нашу неосведомленность, используя такие термины, как "открытый" или "закрытый", "пермиссивный" или "непермиссивный", "эухроматин" или "гетерохроматин.

Нуклеосомы ингибируют транскрипцию на уровне инициации и элонгации. Следовательно, нужно каким-то образом снять это ингибирование. Видимо в этот процесс вовлекается множество факторов и событий. Они модифицируют структуру хроматина и облегчают инициацию транскрипции на хроматиновой матрице.

Рассмотрим в качестве примера только два таких фактора: RSF (remodelling and spacing factor) и FACT (facilitates chromatin transcription) . RSF относится к группе факторов, которые ремоделируют хроматин , используя для этих целей энергию гидролиза ATP. Он может разрушать упорядоченную организацию нуклеосом, в результате чего теряется периодичность их раположения. В этом участвует RSF в сочетании с активаторными белками типа Gal4-VP16 . В результате облегчается доступ факторов транскрипции к ДНК и начало сборки PIC . Элонгация также требует преодоленя сопротивления нуклеосом в этом участвуют свои факторы. FACT как раз относится к факторам, которые облегчают элонгацию транскрипции. Этот фактор не стимулирует инициации транскрипции и не требует для своего действия связанных с промотором активаторов транскрипции. Единственным пререквизитом его действия является предварительное ремоделирование структуры хроматина в районе промотора. Для его действия не нужен гидролиз ATP. Таким образом комбинация RSF и FACT служит примером того, как может преодолеваться сопротивление хроматина [ John ea 1998 ].

В целом факторы "открывают" хроматин.

Хроматин открытый

Мы в точности не знаем, что такое открытый хроматин. Например цитологически он выглядит менее компактным, деконденсированным. Локализуется ближе к центру интерфазного ядра и реплицируется рано в клеточном цикле. Гистоны в нем гиперацетилированы и CpG островки неметилированы. При расщеплении эндонуклеазами, в частности ДНКазойI, открытый хроматин расщепляется в определенных участках на пару порядков быстрее, чем обычный хроматин. Такие быстро расщепляющиеся участки называют " сайтами гиперчувствительными к ДНКазе I ". Кроме того, в открытом хроматине протяженные участки также расщепляются эндонуклеазами с повышенной (раз в 10) по сравнению со средней скоростью расщепления хроматина. Закрытый хроматин проявляет прямо противоположные свойства. Мы не знаем, какие различия между открытым и закрытым хроматинами реально важны для регуляции экспрессии генов. К сожалению, изучено пока очень мало систем, чтобы можно было сделать более определенные выводы.

Исследователи сейчас ищут в дополнение к промоторам и энхансерам, о которых речь шла выше, те последовательности ДНК, которые могут модулировать формирование, изменения и поддерживание хроматиновых структур. Что это за последовательности? Возможно к ним относятся:

Участки начала репликации хромосом.

Участки, определяющие компартментализацию данного локуса в ядре.

Участки ,определяющие формирование высших структур хроматина.

Участки, определяющие границы между открытым и закрытым хроматинами.

цетилирование гистонов

Ацетилирование гистонов играет важную роль в модуляции структуры хроматина при активации транскрипции [ Grunstein, ea 1997 , Mizzen, ea 1998 , Struhl, ea 1998 ], увеличивая доступность хроматина для транскрипционного аппарата.

Известно что ацетилированные гистоны признак транскрипционно активного хроматина. Но является ли ацетилирование причиной или следствием активации транскрипции? Сейчас более склонны думать, что это одна из причин [ Wolffe ea 1999 ]. Гистоны целенаправленно модифицируются на тех промоторах, которые требуется активировать. При этом определенные остатки лизинов подвергаются ацетилированиям и деацетилированиям с помощью ферментов ацетилтрансфераз и деацетилаз .Полагают, что ацетилированные гистоны менее прочно связаны с ДНК и поэтому транскрипционной машине легче преодолевать сопротивление упаковки хроматина. В частности ацетилирование может облегчать доступ и связывание факторов транскрипции к их элементам узнавания на ДНК. Сейчас идентифицированы ферменты, которые осуществляют процесс ацетилирования и деацетилирования гистонов, и, наверное, скоро мы узнаем больше о том, как это увязывается с активацией транскрипции.

В дрожжах с процессами ацетилирования гистонов связан сложный ацетилтрансферазный комплекс SAGA [ Grant ea 1998 ]. В него входит более 20 различных белков, в том числе и гистоноподобные TAF .

Уровень ацетилирования необходимый для облегчения транскрипции низок. 12 ацетилированных лизинов на гистоновый октамер усиливает транскрипцию хроматина in vitro на порядок. Помимо ослабления структуры хроматина, ацетилирование, возможно облегчает взаимодействие ацетилированных нуклеосом с другими факторами, участвующими в ремоделировании хроматина или с компонентами транскрипционного аппарата.

Таким образом осуществляется комбинаторный эффект: с одной стороны ацетилирование-деацетилирование прямо влияет на структурную подвижность хроматина, а сдругой стороны оно влияет на белок-белковые взаимодействия разных факторов с белками хроматина [ Wolffe ea 1999 ].

Ацетилирование остатков лизина в N-концевых "хвостиках" (tails) гистонов H2A , H2B , HЗ и H4 нейтрализует их положительный заряд и соответственно блокирует ассоциацию с витками нуклеосомной ДНК. Это, в свою очередь, декомпактизует структуру как самой нуклеосомы , так и хроматина в целом и, кроме того, освобождает внешнюю поверхность витков ДНК для взаимодействий с регуляторными факторами [ Jones, ea 1999 ]. Степень ацетилирования гистонов определяется активностью двух типов ферментов - гистонацетилтрансфераз HAT , (histone acetyl-transferases) и деацетилаз HDAC , (histone deacetylases). Ряд активаторов и коактиваторов транскрипции (в частности, такой важный, как CBP/300 , участвующий в регуляции клеточного роста, дифференцировки, репарации ДНК и апоптоза), а также некоторые субъединицы базального аппарата транскрипции ( ТАF11250 ) обладают гистонацетилтрансферазной активностью. Напротив, репрессоры транскрипции (такие, как Mad и ядерные рецепторы ) ассоциированы с деацетилазной активностью [ Archer, ea 1999 ].

В регуляцию транскрипции вовлекается также и ковалентная модификация ДНК. И эти две модификации белков и ДНК тесно переплетаются.

Поиск по сайту: